今宏电子期刊 - 第三期—03 FloEFD中的辐射模型

生活处处存在着辐射，对于热仿真工程师来说最熟悉的莫过于热辐射，它是热量传递的三种方式之一。

在FloEFD中如果求解的问题涉及固体内热传导，即固体或固体间的辐射热传递与对流热传递相比非常明显，则可以选择激活辐射功能，并指定固体表面发射系数。还可以通过边界发射系数和温度从计算域远场边界或模型开口指定热辐射。固体间的净辐射热交换与对流热传递和固体内热传递一同计算。

值得注意的是FloEFD中任何情况下流体既不发出热辐射也不吸收热辐射，即辐射热传递仅与固体有关。自然对流和风冷模型中介质一般都是空气，而空气对热辐射几乎是透明的。今天我们来聊聊 FloEFD中的三种辐射模型。

原理：在特定立体角范围内离开表面元素的辐射可以近似地用单一射线来表示，辐射热量仅沿从辐射表面发散出来的一系列射线传递。先在参与热辐射的表面上建立节点，然后分析以此节点为中心的半球，将半球分成规定数量的立体角；然后，当光线穿过流体和透明固体时，便沿此方向对其进行跟踪，直到它投射到另一个辐射表面上为止。此类计算在求解器的初始阶段进行，以便为每次迭代时求解的线性方程组构成系数矩阵。所跟踪光线的数量和排列决定了计算从一个辐射表面到另一个辐射表面的辐射热的准确度。

适用性：对于存在高功率热源或者高温梯度的工况建议采用此模型。

限制：基于灰体辐射假设，辐射率不随波长变化，辐射率等于吸收率。

原理：为有限数量的离散立体角求解辐射传热方程，每个立体角都有一个矢量方向。此方法用于求解吸收（半透明）介质中的辐射，以为波谱相关性建模。解的准确度与所使用的离散方向数量相关。

适用性：用于具有低温变化或没有集中辐射源（例如，电子冷却、温室效应和驾驶室舒适度分析）的大多数情况。

限制：如果阴影的几何光学效应很显著，则建议提高离散化级别以提高几何光学建模的准确度。如果这还不够，建议使用离散传递或蒙特卡罗模型。

原理：蒙特卡罗射线跟踪方法是一种统计方法，采用该方法，特定环境中特定辐射面的宏观行为的分析模型是从宏观级别的辐射面（或吸收介质）的行为统计模型得到的。为此，将会从辐射表面或吸收介质发出光子（光线），然后记录光子运行的轨迹。此方法也可以模拟介质吸收和波谱相关性。解的准确度取决于发出的光子数量。

适用性：如果其他模型不允许足够准确地模拟某些物理效应或几何光学效应，建议采用此模型。

限制：计算量很大，对计算资源要求高。

随着计算机运算能力的提升和对精度的更高要求，更多的用户选用蒙特卡罗辐射模型。这个模型对于波谱相关性有2种建模方法：

1.离散条带：一种被广泛应用的定义方式，假定辐射光谱由多个条带构成，条带的边缘由用户指定；辐射源、表面和材料的属性被视为每个条带内的常数。固体材料的波长相关属性在指定光谱带上进行平均，因此建议将条带边缘设定在波长处，材料属性将在波长处发生极大的变化。

2.射线跟踪：根据此方法，每个发射中子都有自己的波长，其波长由对应于其辐射源和表面的辐射光谱的波长分布确定。与离散条带方法不同，辐射源、表面和材料的属性被视为符合它们的指定波长相关性，无需加以平均。